Come vi ho già accennato nello scorso articolo, un motore a 4 tempi riesce a completare il suo ciclo operativo in due giri dell’albero motore, mentre un 2 tempi riesce a completarlo con una sola rotazione.
Viene allora da chiedersi: “Come incidono queste differenze tecniche sulle prestazioni e sui consumi? E sui costi?”
Le prestazioni
Per confrontare le prestazioni andiamo a recuperare l’espressione della potenza che abbiamo già conosciuto:
τ è il parametro che tiene conto del numero di tempi di un motore, pertanto esso assumerà il valore di 2 per un due tempi e di 4 per un quanto tempi. Già solo dal punto di vista matematico si può intuire come a parità di cilindrata il 2 tempi abbia una potenza circa 2 volte maggiore di un quattro tempi: infatti, se invece che dividere per quattro, si divide per 2 si ha una potenza doppia. Dal punto di vista fisico invece, questa differenza può essere spiegata facendo delle considerazioni di tipo energetico.
In un motore infatti, l’unica fase che produce lavoro è quella di combustione/espansione, mentre le restanti fasi di aspirazione e scarico assorbono energia. In un 4 tempi pertanto si avrà una fase che produce potenza ogni 2 giri dell’albero motore, mentre in un 2 tempi ci sarà una fase utile per ogni giro.
Per fare un esempio concreto consideriamo un quattro tempi che opera a 1000 giri/minuto: con questo regime di rotazione esso avrà esattamente 500 combustioni al minuto. Un 2 tempi invece avrà ben 1000 combustioni al minuto se si considera lo stesso regime di rotazione, pertanto la sua potenza sarà doppia. Sperimentalmente si osserva però che i CV sprigionati da un due tempi non sono il doppio ma “solo” un 40-90% maggiori di un quattro tempi.
Questa differenza è dovuta al “lavaggio” del cilindro che nel caso di un due tempi non è ottimale e pertanto si ha un peggioramento del coefficiente di riempimento λv. Per chi non lo sapesse, il lavaggio del cilindro è quell’operazione mediante la quale si ripulisce il cilindro dai gas combusti per fare spazio a una nuova carica di aria fresca.
Nel caso di un 4 tempi questa operazione è affidata al pistone che, con il suo moto di risalita verso il PMS (Punto Morto Superiore), consente di espellere i gas combusti. In un due tempi invece, il lavaggio è affidato alla miscela(o all’aria se è Diesel) che dal carter travasa nel cilindro come mostrato nella figura successiva.
Lavaggio del cilindro
By Andy Dingley (scanner) – Scan from The Autocar (Thirteenth edition, circa 1935) Autocar Handbook, London: Iliffe & Sons., pp. p. 26, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15710195
Questo processo nei 2 tempi però non è esente da difetti: spesso la miscela si diluisce senza formare un fronte compatto utile per sospingere i gas combusti all’esterno. Oppure si ha un cortocircuito per cui l’aria esce direttamente dalla luce di scarico senza pulire adeguatamente la camera di combustione. Si ha perciò un peggior riempimento del cilindro che causa una perdita di potenza.
Nel complesso comunque i 2 tempi hanno una potenza specifica decisamente maggiore dei 4 tempi e sono utilizzati in quegli ambiti in cui è richiesta tanta potenza e pochi ingombri.
Consumi
Per quanto riguarda i consumi non c’è storia, i 2 tempi sono per loro natura più assetati di carburante.
A parità di regime di rotazione, in un 4 tempi ci sono esattamente metà combustioni pertanto è normale che consumi di meno rispetto a un 2 tempi. I consumi maggiori però non sono da attribuire esclusivamente a questo aspetto in quanto molto carburante viene sprecato durante il lavaggio.
In un 2 tempi a benzina infatti, una parte della miscela che viene usata per ripulire il cilindro esce insieme ai gas combusti senza partecipare alla combustione. Si ha così un notevole spreco di carburante che contribuisce a peggiorare significativamente i consumi globali. Fortunatamente nei 2 tempi Diesel questo problema non sussiste in quanto il lavaggio del cilindro viene effettuato, non da miscela, ma da semplice aria che non costa nulla.
Costi
Un motore 2 tempi ha un’architettura più semplice, meno pezzi in movimento ed in genere è anche più piccolo perciò il suo costo di acquisto è minore di quello di un 4 tempi.
Per quanto riguarda i costi di manutenzione il confronto non è così scontato: un 2 tempi necessita di manutenzione più frequente ma nel caso si rompesse qualcosa i costi di riparazione sono più bassi di un quattro tempi che, di contro, richiede una manutenzione più sporadica.
Se si considerano invece i costi di esercizio un motore 4 tempi vince a mani basse grazie a suoi minori consumi di olio e carburante.
